IGBT的工作原理和工作特性

1、-作者xxxx-日期xxxxIGBT的工作原理和工作特性【精品文檔】IGBT的工作原理和工作特性 IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對(duì)N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)：1靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)

2、特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。 IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)

3、通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示:Uds(on)Uj1UdrIdRoh （214） 式中Uj1JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7IV； Udr擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降；Roh溝道電阻。通態(tài)電流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos (215） 式中Imos流過(guò)MOS

4、FET的電流。由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為23V。IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2動(dòng)態(tài)特性IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間，tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1和tfe2組成，如圖258所示 IGBT 在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)?MOSFET 關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除

5、，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間， td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間， trv 為電壓 Uds(f) 的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間 Tf 由圖 259 中的 t(f1) 和 t(f2) 兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 t(off)=td(off)+trv + t(f) （ 216 ） 式中， td(off) 與 trv 之和又稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間。 IGBT的基本結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的文件建議，其各部分名稱(chēng)基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N

6、+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極。 N+ 區(qū)稱(chēng)為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱(chēng)為亞溝道區(qū)（Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector ），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極。 為了兼顧長(zhǎng)期以來(lái)人們的習(xí)慣，IEC規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱(chēng)為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（

7、子）稱(chēng)為集電極端（子）。這又回到雙極晶體管的術(shù)語(yǔ)了。但僅此而已。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。它在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOSFET 的N+基板（漏極）上增加了一個(gè)P+ 基板（IGBT 的集電極），形成PN結(jié)j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。圖1 N溝道IGBT結(jié)構(gòu)圖2 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖由圖2可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR ，其簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 N溝道IGBT的圖形符號(hào)有兩種，如圖4所

8、示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常使用圖25所示的符號(hào)。對(duì)于P溝道，圖形符號(hào)中的箭頭方向恰好相反，如圖4所示。 IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從P+區(qū)注到N一區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N一區(qū)的電阻 Rdr值，使高耐壓的 IGBT 也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即關(guān)斷。 正是由于 IGBT 是在N 溝道 MOSFET 的 N+ 基板上加一層 P+ 基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由PNPNPN晶體管構(gòu)成 IGBT 。但是，NPN晶體管和發(fā)

9、射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用。所以說(shuō)， IGBT 的基本工作與NPN晶體管無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為是將 N 溝道 MOSFET 作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。 采取這樣的結(jié)構(gòu)可在 N一層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因 為從 P+ 基板經(jīng)過(guò) N+ 層向高電阻的 N一層注入少量載流子的結(jié)果。 IGBT 的設(shè)計(jì)是通過(guò) PNPNPN 晶體管的連接形成晶閘管。術(shù)語(yǔ)符號(hào)定義及說(shuō)明（測(cè)定條件參改說(shuō)明書(shū)）集電極、發(fā)射極間電壓 VCES 柵極、發(fā)射極間短路時(shí)的集電極，發(fā)射極間的最大電壓 柵極發(fā)極間電壓 VGES 集電極、發(fā)射極間短路時(shí)的柵極，發(fā)射極間最大電壓 集電極電流 IC

10、集電極所允許的最大直流電流 耗散功率PC 單個(gè)IGBT所允許的最大耗散功率 結(jié)溫 Tj 元件連續(xù)工作時(shí)芯片溫廈 關(guān)斷電流 ICES 柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時(shí)的集電極電流。漏電流 IGES 集電極、發(fā)射極間短路，在柵極、集電極間加上指定的電壓時(shí)的柵極漏電流 飽和壓降V CE(sat) 在指定的集電極電流和柵極電壓的情況下，集電極、發(fā)射極間的電壓。輸入電容 Clss 集電極、發(fā)射極間處于交流短路狀態(tài)，在柵極、發(fā)射極間及集電極、發(fā)射極間加上指定電壓時(shí)，柵極、發(fā)射極間的電容 1. IGBT模塊的選定 在使用IGBT模塊的場(chǎng)合，選擇何種電壓，電流規(guī)格的IGBT模塊，需要做周

11、密的考慮。a. 電流規(guī)格IGBT模塊的集電極電流增大時(shí)，VCE(-)上升，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗增大，原件發(fā)熱加劇。因此，根據(jù)額定損耗，開(kāi)關(guān)損耗所產(chǎn)生的熱量，控制器件結(jié)溫（Tj）在 150oC以下（通常為安全起見(jiàn)，以125oC以下為宜），請(qǐng)使用這時(shí)的集電流以下為宜。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)損耗增大，發(fā)熱也加劇，需十分注意。一般來(lái)說(shuō)，要將集電極電流的最大值控制在直流額定電流以下使用，從經(jīng)濟(jì)角度這是值得推薦的。 IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即市電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系列于表1。根據(jù)使用目的，并參考本表，請(qǐng)選擇相應(yīng)的元件。 元器件電壓規(guī)格600V1200V

12、1400V電源電壓200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V575V2. 防止靜電IGBT的VGE的耐壓值為20V，在IGBT模塊上加出了超出耐壓值的電壓的場(chǎng)合，由于會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的危險(xiǎn)，因而在柵極-發(fā)射極之間不能超出耐壓值的電壓，這點(diǎn)請(qǐng)注意。在使用裝置的場(chǎng)合，如果柵極回路不合適或者柵極回路完全不能工作時(shí)（珊極處于開(kāi)路狀態(tài)），若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止這類(lèi)損壞情況發(fā)生，應(yīng)在柵極一發(fā)射極之間接一只10k左左的電阻為宜。此外，由于IGBT模塊為MOS結(jié)構(gòu)，對(duì)于靜電就要十分注意。因此，請(qǐng)注意下面幾點(diǎn)：1)在使用模塊時(shí)，手持分裝件

13、時(shí)，請(qǐng)勿觸摸驅(qū)動(dòng)端子部份。2)在用導(dǎo)電材料連接驅(qū)動(dòng)端子的模塊時(shí)，在配線未布好之前，請(qǐng)先不要接上模塊。3)盡量在底板良好接地的情況下操作。4)當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電放電后，再觸摸。 5)在焊接作業(yè)時(shí)，焊機(jī)與焊槽之間的漏泄容易引起靜電壓的產(chǎn)生，為了防止靜電的產(chǎn)生，請(qǐng)先將焊機(jī)處于良好的接地狀態(tài)下。6)裝部件的容器，請(qǐng)選用不帶靜電的容器。用于大容量逆變器等控制大電流場(chǎng)合使用IGBT模塊時(shí)，可以使用多個(gè)器件并聯(lián)。并聯(lián)時(shí)，要使每個(gè)器件流過(guò)均等的電流是非常重要的，如果一旦電流平衡達(dá)到破壞，那么電過(guò)于集中的那個(gè)器件將可能被損壞。 為使并聯(lián)時(shí)電流能平衡，適當(dāng)改變器件的特性及接線方法。例

14、如。挑選器件的VCE(sat)相同的并聯(lián)是很重要的。1)保存半導(dǎo)體原件的場(chǎng)所的溫度，溫度，應(yīng)保持在常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535，常濕的規(guī)定為4575左右。2)開(kāi)、關(guān)時(shí)的浪涌電壓等的測(cè)定，請(qǐng)?jiān)诙俗犹帨y(cè)定。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉IGBT主要參數(shù)與開(kāi)關(guān)特性的測(cè)試方法。2掌握混合集成驅(qū)動(dòng)電路EXB840的工作原理與調(diào)試方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1IGBT主要參數(shù)測(cè)試。2EXB840性能測(cè)試。3IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試。4過(guò)流保護(hù)性能測(cè)試。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1MCL系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控制屏 2MCL07電力電子實(shí)驗(yàn)箱中的IGBT與PWM波形發(fā)生器部分。3萬(wàn)用表二塊 4雙蹤示波器。 四、實(shí)驗(yàn)線路見(jiàn)圖51。五、

15、實(shí)驗(yàn)方法 1IGBT主要參數(shù)測(cè)試（1）開(kāi)啟閥值電壓VGS（th）測(cè)試在主回路的“1”端與IGBT的“18”端之間串入毫安表，將主回路的“3”與“4”端分別與IGBT管的“14”與“17”端相連，再在“14”與“17”端間接入電壓表，并將主回路電位器RP左旋到底。將電位器RP逐漸向右旋轉(zhuǎn)，邊旋轉(zhuǎn)邊監(jiān)視毫安表，當(dāng)漏極電流ID=1mA時(shí)的柵源電壓值即為開(kāi)啟閥值電壓VGS（th）。讀取67組ID、Vgs，其中ID=1mA必測(cè)，填入表51。表51ID（mA）1Vgs（V）（2）跨導(dǎo)gFS測(cè)試在主回路的“2”端與IGBT的“18”端串入安培表，將RP左旋到底，其余接線同上。將RP逐漸向右旋轉(zhuǎn)，讀取ID與對(duì)

16、應(yīng)的VGS值，測(cè)量56組數(shù)據(jù)，填入表52。表52ID（mA）1Vgs（V）（3）導(dǎo)通電阻RDS測(cè)試將電壓表接入“18”與“17”兩端，其余同上，從小到大改變VGS，讀取ID與對(duì)應(yīng)的漏源電壓VDS，測(cè)量56組數(shù)據(jù)，填入表53。表53ID（mA）1Vgs（V） 2EXB840性能測(cè)試（1）輸入輸出延時(shí)時(shí)間測(cè)試IGBT部分的“1”與“13”分別與PWM波形發(fā)生部分的“1”與“2”相連，再將IGBT部分的“10”與“13”、與門(mén)輸入“2”與“1”相連，用示波器觀察輸入“1”與“13”及EXB840輸出“12” 與“13”之間波形，記錄開(kāi)通與關(guān)斷延時(shí)時(shí)間。ton= ，toff= 。 （2）保護(hù)輸出部分光

17、耦延時(shí)時(shí)間測(cè)試將IGBT部分“10”與“13”的連線斷開(kāi)，并將“6”與“7”相連。用示波器觀察“8”與“13”及“4”與“13” 之間波形，記錄延時(shí)時(shí)間。（3）過(guò)流慢速關(guān)斷時(shí)間測(cè)試接線同上，用示波器觀察“1”與“13”及“12”與“13”之間波形，記錄慢速關(guān)斷時(shí)間。（4）關(guān)斷時(shí)的負(fù)柵壓測(cè)試斷開(kāi)“10”與“13”的相連，其余接線同上，用示波器觀察“12”與“17”之間波形，記錄關(guān)斷時(shí)的負(fù)柵壓值。（5）過(guò)流閥值電壓測(cè)試斷開(kāi)“10”與“13”，“2”與“1”的相連，分別連接“2”與“3”，“4”與“5”，“6”與“7”，將主回路的“3”與“4”分別和“10”與“17”相連，即按照以下表格的說(shuō)明連線。

18、RP左旋到底，用示波器觀察“12”與“17”之間波形，將RP逐漸向右旋轉(zhuǎn)，邊旋轉(zhuǎn)邊監(jiān)視波形，一旦該波形消失時(shí)即停止旋轉(zhuǎn)，測(cè)出主回路“3”與“4”之間電壓值，該值即為過(guò)流保護(hù)閥值電壓值。（6）4端外接電容器C1功能測(cè)試供教師研究用EXB840使用手冊(cè)中說(shuō)明該電容器的作用是防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作（絕大部分場(chǎng)合不需要電容器）。aC1不接，測(cè)量“8”與“13”之間波形。b“9”與“13”相連時(shí)，測(cè)量“8”與“13” 之間波形，并與上述波形相比較。3開(kāi)關(guān)特性測(cè)試（1）電阻負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試將“1”與“13”分別與波形發(fā)生器“1”與“2”相連，“4”與“5”，“6”與“7”，2“與”3“，“12”與“14

19、”，“10”與“18”，“17”與“16”相連，主回路的“1”與“4”分別和IGBT部分 的“18”與“15”相連。即按照以下表格的說(shuō)明連線。用示波器分別觀察“18”與“15”及“14”與“15”的波形，記錄開(kāi)通延遲時(shí)間。（2）電阻，電感負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試將主回路“1”與“18”的連線斷開(kāi)，再將主回路“2”與“18”相連，用示波器分別觀察“18”與“15”及“16”與“15”的波形，記錄開(kāi)通延遲時(shí)間。（3）不同柵極電阻時(shí)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試將“12”與“14”的連線斷開(kāi)，再將“11”與“14”相連，柵極電阻從R53k改為R4=27，其余接線與測(cè)試方法同上。 4并聯(lián)緩沖電路作用測(cè)試（1）電阻負(fù)載，有與沒(méi)

20、有緩沖電路時(shí)觀察“14”與“17”及“18”與“17”之間波形。（2）電阻，電感負(fù)載，有與沒(méi)有緩沖電路時(shí)，觀察波形同上。5過(guò)流保護(hù)性能測(cè)試，柵計(jì)電阻用R4在上述接線基礎(chǔ)上，將“4”與“5”，“6”與“7”相連，觀察“14”與“17”之間波形，然后將“10”與“18”之間連線斷開(kāi)，并觀察驅(qū)動(dòng)波形是否消失，過(guò)流指示燈是否發(fā)亮，待故障消除后， 撳復(fù)位按鈕即可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，繪出IGBT的主要參數(shù)的表格與曲線 。2繪出輸入、輸出及對(duì)光耦延時(shí)以及慢速關(guān)斷等波形，并標(biāo)出延時(shí)與慢速關(guān)斷時(shí)間。3繪出所測(cè)的負(fù)柵壓值與過(guò)流閥值電壓值。4繪出電阻負(fù)載，電阻電感負(fù)載以及不同柵極電阻時(shí)的開(kāi)關(guān)波

21、形，并在圖上標(biāo)出tON 與tOFF。5繪出電阻負(fù)載與電阻、電感負(fù)載有與沒(méi)有并聯(lián)緩沖電路時(shí)的開(kāi)關(guān)波形，并說(shuō)明并聯(lián)緩沖電路的作用。6過(guò)流保護(hù)性能測(cè)試結(jié)果，并對(duì)該過(guò)流保護(hù)電路作出評(píng)價(jià)。7實(shí)驗(yàn)的收獲、體會(huì)與改進(jìn)意見(jiàn)。七、思考題1試對(duì)由EXB840構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)缺點(diǎn)作出評(píng)價(jià)。2在選用二極管V1時(shí)，對(duì)其參數(shù)有何要求？其正向壓降大小對(duì)IGBT的過(guò)流保護(hù)功能有何影響？ 3通過(guò)MOSFET與IGBT器件的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)你對(duì)兩者在驅(qū)動(dòng)電路的要求，開(kāi)關(guān)特性與開(kāi)關(guān)頻率，有 、無(wú)反并聯(lián)寄生二極管，電流、電壓容量以及使用中的注意事項(xiàng)等方面作一分析比較。深圳市學(xué)林電子有限公司產(chǎn)品的購(gòu)買(mǎi)方式IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端

22、設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。MOSFET由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，與同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化 IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。圖1所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)

23、為源極。N+ 區(qū)稱(chēng)為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱(chēng)為亞溝道區(qū)（ Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱(chēng)為漏極。IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基

24、極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。2.IGBT 的工作特性IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3

25、部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)

26、，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示：Uds(on) Uj1 Udr IdRoh式中Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 1V ；Udr 擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh 溝道電阻。通態(tài)電流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos 流過(guò)MOSFET 的電流。由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。IGBT 在

27、開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，

28、不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約34V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的高壓大電流IGBT器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上。目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等

29、技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1m以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。N溝型的 IGBT工作是通過(guò)柵極發(fā)射極間加閥值電壓VTH以上的（正）電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層（溝道），開(kāi)始從發(fā)射極電極下的n-層注入電子。該電子為p+n-p晶體管的少數(shù)載流子，從集電極襯底p+層開(kāi)始流入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制（雙極工作

30、），所以可以降低集電極發(fā)射極間飽和電壓。工作時(shí)的等效電路如圖1（b）所示，IGBT的符號(hào)如圖1（c）所示。在發(fā)射極電極側(cè)形成n+pn寄生晶體管。若n+pn寄生晶體管工作，又變成p+n pn+晶閘管。電流繼續(xù)流動(dòng)，直到輸出側(cè)停止供給電流。通過(guò)輸出信號(hào)已不能進(jìn)行控制。一般將這種狀態(tài)稱(chēng)為閉鎖狀態(tài)。為了抑制n+pn-寄生晶體管的工作IGBT采用盡量縮小p+n-p晶體管的電流放大系數(shù)作為解決閉鎖的措施。具體地來(lái)說(shuō)，p+n-p的電流放大系數(shù)設(shè)計(jì)為0.5以下。 IGBT的閉鎖電流IL為額定電流（直流）的3倍以上。IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。(1)導(dǎo)通IGBT硅片

31、的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分），其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流(MOSFE

32、T 電流)；空穴電流（雙極）。uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。(2)導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。(3)關(guān)斷當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問(wèn)題：功耗升高；交叉

33、導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與VCE、IC和 TC有關(guān)。柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。(4)反向阻斷。當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)，J1 就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高

34、壓降。(5)正向阻斷。當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/NJ3結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。(6)閂鎖。IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱(chēng)為IGBT閂鎖，具體地說(shuō)，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生N

35、PN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級(jí)別。二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對(duì)PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會(huì)升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。當(dāng)前普遍采用的IGBT短路或過(guò)流保護(hù)方式是通過(guò)檢測(cè)Vce的電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)的5，當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路或過(guò)流時(shí)，其工作區(qū)將退出飽和區(qū)而使Vce電壓升高，具體的保護(hù)電路原理如圖6所示。通過(guò)二極管D與IGBT的集電極相連來(lái)實(shí)現(xiàn)I

36、GBT的欠飽和檢測(cè)，Vce電壓升高將相應(yīng)地使串聯(lián)二極管的陽(yáng)極電位升高，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的短路門(mén)限時(shí)保護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)斷IGBT。由于IGBT在開(kāi)通初期的集電極電壓比較高，如果此時(shí)保護(hù)電路工作可能造成誤動(dòng)作，必須設(shè)置一個(gè)盲區(qū)時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)短路保護(hù)電路是不工作的。此功能是通過(guò)開(kāi)關(guān)S和外接并聯(lián)電阻Rce和電容Cce來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，S開(kāi)通，電容Cce被充電到15V，當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，S關(guān)斷，Cce電容經(jīng)Rce放電，放電終止電壓為:這樣就可以使得在IGBT開(kāi)通初期，參考電壓高于檢測(cè)電壓，防止保護(hù)電路誤動(dòng)作，正常工作時(shí)的波形如圖7(a)所示。發(fā)生短路或過(guò)流故障時(shí)的波形如圖7(b)所示。圖6短路保護(hù)電路原理圖(a) (b)圖7 保護(hù)電路波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離傳輸方式考慮高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器工作在高電壓環(huán)境，為了保證控制器不受高壓側(cè)的影響，驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)必須經(jīng)過(guò)隔離后再傳送到IGBT的柵極。通常的隔離方式有光隔離和磁隔離，光隔離又包括光耦隔離和光纖隔離，光耦隔離方式由于隔離電壓相對(duì)較低，存在傳輸延遲、老化和可靠性等方面的問(wèn)題，在直流母線電壓超過(guò)800V的高壓應(yīng)用場(chǎng)合很少采用。而采用